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出版者:Springer Verlag

作者:Scharnberg, Kurt (EDT)/ Kruchinin, Sergei (EDT)

出品人:

页数:452

译者:

出版时间:

价格:209

装帧:HRD

isbn号码:9781402056574

丛书系列:

图书标签:

• Electron Correlation
• New Materials
• Nanosystems
• NATO Advanced Research Workshop
• Condensed Matter Physics
• Quantum Chemistry
• Computational Physics
• Materials Science
• Nanotechnology
• Electronic Structure

凝聚态物理前沿探索：强关联电子系统与拓扑物态的交汇 导言： 在固体物理学的宏伟蓝图中，电子之间的复杂相互作用构成了物质特性的核心驱动力。当代物理学正以前所未有的深度和广度，审视着强关联电子系统（Strongly Correlated Electron Systems）所展现出的奇特量子现象。这些系统，其中电子间的库仑排斥力与动量空间中的电子-电子耦合达到了一个微妙的平衡点，往往孕育出超越传统费米液体理论描述的奇异物态，例如高温超导、莫特绝缘体、量子自旋液体以及复杂的多铁性。 本书并非聚焦于特定研讨会的纪要，而是旨在提供一个全面且深入的视角，探讨当前凝聚态物理学中两个最激动人心的研究领域——强关联电子系统的理论与实验进展，以及拓扑物态（Topological States of Matter）在新型材料中的涌现。我们将通过对基础理论框架的梳理、前沿实验技术的介绍，以及对未来研究方向的展望，勾勒出这一交叉领域的研究版图。 第一部分：强关联电子系统的理论基石与前沿挑战 强关联物理的魅力在于其对“简单”模型的复杂解读。电子间的直接相互作用——库仑势——在空间距离较短的材料中变得不可忽略，导致电子行为不再能被视为独立粒子。 1. 模型的精炼与求解困境： 本部分将首先回顾描述强关联系统的核心模型，如Hubbard 模型及其变体（$t-J$ 模型、Kimura 模型）。我们将深入探讨解析方法和数值模拟技术的最新进展。重点关注动态平均场理论 (DMFT) 及其延伸（如局域相互作用近似 DCA/LDA+DMFT），这些工具如何成功地将多体问题映射到有效杂化问题，从而预测材料的金属-绝缘体转变（莫特转变）。同时，我们将审视基于张量网络态（Tensor Networks States, TNS）的方法，如密度矩阵重整化群 (DMRG)，在低维系统中的强大能力，以及它们在克服高维计算瓶颈方面的最新尝试。 2. 奇异金属态的探索： 在许多强关联体系中，传统的费米液体行为被打破。奇异金属（Strange Metals）成为研究焦点。这类金属的电阻率与温度呈线性关系（而非费米液体理论的 $T^2$ 依赖），且其寿命参数（或散射率）表现出与温度成正比的特性。我们将探讨如何利用量子蒙特卡洛 (QMC) 模拟来捕捉这种非费米液体行为的微观机制，并讨论全息原理 (Holography)，即 AdS/CFT 对应关系，如何为理解这些极端状态提供一个理论“玩具模型”。 3. 关联效应与电荷、自旋的竞争： 强关联不仅影响电子的输运性质，还深刻地塑造了电子的集体激发。本节将细致分析电荷密度波 (CDW)、磁性有序（如反铁磁性、自旋密度波 SDW）与超导电性的共存和竞争关系。特别地，我们将讨论在铜氧化物（Cuprates）和铁基超导体（Iron-based Superconductors）中，非传统配对机制如何源于电子关联涨落，以及自旋涨落在诱导超导中的关键作用。 第二部分：拓扑物态：超越对称性的新范式 拓扑物理学提供了一种基于拓扑不变量来区分和分类物质状态的全新视角。物质的性质不再仅仅由微观对称性决定，而是由其整体的拓扑结构所保护。 1. 拓扑绝缘体与半金属的分类： 我们将深入探讨拓扑绝缘体 (TI) 的概念，特别是 $mathbb{Z}_2$ 不变量如何区分普通绝缘体和拓扑绝缘体。重点分析表面态 (Surface States) 的物理性质，例如在三维 TI 中受时间反演对称性保护的狄拉克锥结构，以及它们在器件应用中的潜力。随后，我们将转向拓扑半金属，如狄拉克半金属和外尔半金属，分析其无质量的拓扑费米子激发，以及实验上如何通过霍尔效应和角分辨光电子能谱 (ARPES) 验证其拓扑性质。 2. 拓扑超导与马约拉纳费米子： 拓扑概念与超导电性相结合，催生了拓扑超导体。本部分着重介绍无能隙拓扑超导的可能性，以及寻找马约拉纳零能模 (Majorana Zero Modes, MZMs) 的实验路线图。我们将讨论如何通过异质结结构（如拓扑材料与传统超导体耦合）来诱导这些非阿贝尔（Non-Abelian）准粒子，及其在拓扑量子计算中的基础作用。 3. 拓扑与强关联的交汇点： 本书的精髓在于探讨这两个领域的交集。当强关联效应与拓扑结构叠加时，会产生远比单独研究更丰富的物理现象。 拓扑莫特绝缘体： 探讨在具有强自旋轨道耦合 (SOC) 的体系中，关联效应如何导致量子自旋霍尔效应的转变，或诱发拓扑奈格尔相变。 拓扑磁性材料： 分析磁序如何破坏时间反演对称性，从而导致陈（Chern）绝缘体的出现，以及非共面磁结构如何驱动反常霍尔效应的增强。 强关联诱导的拓扑相变： 讨论当电子关联强度变化时，系统如何从一个拓扑平庸相（如普通金属）跃迁到一个拓扑非平庸相（如具有拓扑边缘态的系统），这要求我们发展能同时处理两者相互作用的统一理论框架。 第三部分：先进实验表征技术 理论的突破离不开实验的印证。本部分将介绍用于探测强关联和拓扑物质特性的关键实验工具。 1. 超高分辨谱学技术： 重点介绍角分辨光电子能谱 (ARPES) 在揭示电子能带结构和准粒子衰减方面的威力，特别是如何利用其探测高温超导中的费米弧和无能隙边界。同时，介绍非弹性中子散射在追踪自旋波和磁激发方面的不可替代性，这是理解关联体系集体行为的关键。 2. 量子输运测量： 探讨如何通过磁输运测量（如磁阻、霍尔效应）来区分拓扑边缘态与体态输运，以及如何利用非线性输运来探测电子弛豫的非费米液体特征。 3. 极端条件下的探索： 材料的隐藏相往往需要极端条件的激发。我们将讨论在超高压力、极低温（毫开尔文级别）以及强磁场下，如何维持并探测到诸如量子自旋霍尔效应或费米面重构等微妙的量子态。 结论与展望： 强关联物理和拓扑物理的融合不仅是理解已知材料的工具，更是设计新型量子器件的蓝图。未来的研究方向将集中在对非阿贝尔准粒子的精确操控、量子模拟器对复杂关联模型的求解，以及利用机器学习来加速拓扑相和关联相的分类与发现。本书旨在为研究生、研究人员以及致力于凝聚态物理前沿探索的学者提供一份坚实的理论和实验参考指南。

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